基于船舶轉矩測試的某小型運輸船機槳匹配分析

袁 帥，姬朋輝，史祥東，叢孟營

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

目前市場上一些小型船舶，其設計和建造過程不規范、水平普遍不高，如果船機槳匹配不當就會導致航速不達標或運營成本高等問題，且難以使用理論計算來進行準確的分析。市場中舊船更換主機也存在同樣的問題：舊船在使用多年后，技術圖紙不全，船體老舊，雜物、污底較多，難以使用理論計算來進行準確的船機槳匹配。

針對此種情況，根據多年的船機槳匹配經驗，本文提出了基于船舶轉矩測試來分析船舶的船機槳匹配情況，并實際應用于某港口運輸船，取得了良好的匹配分析結果。本方法通過測試船舶在運營時，主機的輸出轉矩和轉速獲取主機實際工作數據，結合主機性能參數、螺旋槳數據綜合分析船機槳匹配情況，提出優化建議。另外，可詳細準確的調研客戶使用習慣，也為船用主機廠開發主機提供參考。

1 船舶轉矩測試

1.1 測試原理

船舶在航行作業時，主機轉矩通過傳動軸傳遞給螺旋槳，軸在傳遞過程中產生扭轉變形，通過測試軸的變形量，結合軸特性(軸材料、軸內外徑)，計算出轉矩然后換算成主機輸出轉矩。同時通過光感轉速傳感器采集主機轉速，以此計算發動機輸出功率。

1.2 測試過程

軸的變形量是通過應變片測量的，因此首先需要確定應變片在傳動軸的位置，并使用游標卡尺測量該處軸直徑。然后對該處進行仔細打磨，確保應變片黏貼處光滑、干凈(無油污、銹蝕、麻點等)。主機轉速通過光感轉速傳感器測量，傳感器應在合適位置固定安裝，一方面要確保在測試過程中不會產生搖晃、移動，另一方面要確保可以接收到反光片反射的信號，一般要求傳感器與反光片的距離在15 cm以內。

應變數據信號無線傳輸至測試電腦，轉速信號需通過數據線傳輸至測試電腦中。在電腦端通過對測試軸特性的設置，可實時顯示出主機轉速、主機輸出轉矩、功率等數據，以此可確定主機工作狀態，分析船機槳匹配情況，為后續的優化工作提供基礎數據。軸轉矩測試示意圖見圖1。

圖1 軸轉矩測試示意圖

1.3 某港口運輸船轉矩測試

本次測試船型為小型港口運輸船，作業范圍為港口碼頭到在附近海域停靠的大型船舶之間，以運輸少量乘客、船員供給品為主，船舶吃水變化較小。測試船舶如圖2所示，船舶基本信息見表1。

圖2 測試船舶

表1 船舶基本信息

船舶平時停靠在碼頭附近，在接到運輸任務后，需快速到達目的地進行人員或貨物的運輸。此類船舶以短途運輸為主，?？扛鄄僮黝l繁，對航速、操縱性、機動性以及加速性要求較高。為詳細了解船舶運行工況，獲取主機工作信息、評估船機槳匹配狀態，對本船進行了轉矩測試。

測試前需將船舶吃水調整至設計吃水(或本船營運常用吃水)處，并將船舶行駛至營運海域，待準備工作完成后開始進行測試。為詳細收集主機在各常用轉速下的運行情況，在船員的配合下，對主機進行逐步加載測試。具體實施步驟如下：主機轉速從怠速開始，以每100 r/min遞增至該主機油門最大或額定轉速處，每個轉速保持5～8 min；在航速穩定后記錄主機轉速、油溫、水溫及航速、海況等信息。

本次測試過程中，天氣晴朗，海域內來往船只較多，測試船舶遭受海浪較多且隨機性較大。測試中，在主機達到額定轉速時，船舶航速15.2 kn，此時船員告知油門尚未加到最大，因此繼續加大油門至最大后，左右主機轉速約2 170 r/min，船舶航速16.2 kn。保存數據，測試工作結束。

2 數據分析及優化建議

2.1 轉矩測試數據分析

測試數據顯示，主機能夠比較順利的拉升至額定轉速，在2 100 r/min時輸出轉矩約955 N·m、輸出功率約212 kW，相比該轉速下主機理論推進值240 kW，留有12.8%功率儲備。在油門最大時，主機最大轉速為2 172 r/min，基本上與本型號主機的超負荷轉速2 167 r/min相等，此時輸出轉矩約1 039 N·m、輸出功率約238 kW，接近主機額定功率。時刻—轉速—轉距數據見表2。

表2 時刻—轉速—轉矩數據

結合本主機性能數據和測試數據，繪制出主機功率轉速曲線，如圖3所示。通過實測數據可以看出，本船主機的實際推進曲線位于理論推進曲線下方，且隨著主機轉速的增高，趨勢愈加明顯。在額定轉速下，主機理論推進功率為240 kW，實際推進功率212 kW，留有11.7%儲備；在超負荷轉速下，主機理論推進功率為264 kW，實際推進功率為238 kW，留有10.8%儲備。由此可得本船螺旋槳匹配偏輕[1]，可能出現主機油耗較高、無法發揮主機超負荷性能等問題。

圖3 功率轉速曲線

2.2 優化建議

在后續調研中了解到，本船在實際運營中主機常用轉速在1 500～1 800 r/min，主機運行在2 000 r/min以上的時間較少。綜合考慮主機性能、客戶使用習慣，建議更換螺旋槳，采用螺距更大的螺旋槳；根據測試結果，推薦螺旋槳螺距增大到0.7 m。如此可使主機實際推進曲線向上移動、使主機性能得到充分發揮，從而減小主機油耗，提高船舶航速，增加船舶運營競爭力。

3 優化效果

本船更換螺旋槳后，新槳與舊槳直徑、盤面比保持一致，僅將螺距增加至0.7 m。主機最大轉速可達到2 160 r/min，船舶航速為17.1 kn，相比舊槳航速增加了0.9 kn；在常用轉速區，相比舊槳，在主機同轉速條件下，船舶航速增加了0.8～1.0 kn，極大的增加了本船運營競爭力，取得了良好的市場效果。